Zum Hauptinhalt springen
Methanemissionen

Ein Leitfaden zur Überwachung und Quantifizierung von Methanemissionen aus dem Öl- und Gassektor

28. Februar 2023 Arbeitsbereich: Methan

Mehr als ein Jahr, nachdem 110 Länder auf der COP26 in Glasgow die Globale Methanverpflichtung unterzeichnet haben, machen die Länder erste Fortschritte bei der Umsetzung von Vorschriften zur Reduzierung von Methanemissionen.

Zeit zum Handeln 

Methan hat über einen Zeitraum von 20 Jahren eine mehr als 80-mal stärkere Erwärmung als Kohlendioxid und ist für 0,5 °C der Erwärmung der Erde seit der vorindustriellen Zeit verantwortlich. Aufgrund seiner Stärke und kurzen Lebensdauer im Vergleich zu Kohlendioxid - Methan verbleibt nur 12 Jahre in der Atmosphäre - ist die Verringerung der Methanverschmutzung der schnellste Weg, um die Beschleunigung der globalen Erwärmung zu verlangsamen. Wir können die globale Erwärmung nicht auf 1,5 oder 2 Grad begrenzen, ohne die anthropogenen Methanemissionen drastisch zu reduzieren. 

Nach Angaben der US-amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration nimmt die Methankonzentration in der Atmosphäre jedoch zu, und zwar in immer schnellerem Tempo, wobei im Jahr 2021 der bisher höchste Anstieg verzeichnet wird. Die anthropogenen Emissionen sind eine der wichtigsten Ursachen für diesen Anstieg. In diesem Jahrzehnt müssen wir erhebliche Fortschritte bei der Verringerung der Emissionen in allen drei großen Methanemissionssektoren - Energie, Landwirtschaft und Abfall - erzielen, aber einige der größten Möglichkeiten liegen im Energiesektor, insbesondere bei Öl und Gas. 

Die Öl- und Gasindustrie ist einer der Hauptverursacher von Methan, der für 21 % aller anthropogenen Emissionen verantwortlich ist. Methan, der Hauptbestandteil von fossilem Gas, wird in allen Teilen der Öl- und Gasproduktionskette freigesetzt, von der Förderung über die Verarbeitung bis hin zum Transport. Einige dieser Freisetzungen sind beabsichtigt. Dies ist bei einigen Erdölförderungsvorgängen der Fall, bei denen das zusammen mit dem Öl geförderte Gas als Abfall betrachtet und entweder in die Atmosphäre entlassen (abgelassen) oder verbrannt (abgefackelt) wird. Gas wird auch absichtlich bei Wartungsarbeiten oder aus Geräten freigesetzt, die von vornherein Gas emittieren, wie z. B. automatische pneumatische Ventilsteuerungen, die mit fossilem Gas unter Druck betrieben werden. Die andere Art der Freisetzung sind die allgegenwärtigen unbeabsichtigten Emissionen. Methan entweicht aus undichten Ventilen, offenen Luken, schlecht gewarteten Lagertanks usw. Insgesamt stellt die Beseitigung von Entlüftungsöffnungen, Abfackelungen und Leckagen eine riesige Chance zur Verringerung der Methanemissionen dar. In vielen Fällen kann das eingesparte Gas verkauft werden, so dass sich die Bemühungen zur Emissionsreduzierung lohnen.

Anthropogene Methanemissionen
Methan, das aus einer Entlüftungsöffnung in einer Gasverarbeitungs- und -transportanlage austritt. Erfasst mit einer optischen Gaskamera FLIR GF320 von Clean Air Task Force. 

Bis vor einigen Jahren war das Aufspüren von Lecks und die Quantifizierung von Emissionen eine langwierige und teure Aufgabe. Glücklicherweise hat sich dies geändert. Wir haben diesen Wandel aus erster Hand erfahren. In den letzten zwei Jahren haben wir Methanemissionen in Öl- und Gasanlagen auf der ganzen Welt mit einer FLIR GF320 dokumentiert, einer von vielen auf dem Markt erhältlichen optischen Gasbildkameras, um Methanlecks zu finden und zu identifizieren. Seit Februar 2021 haben wir mehr als 500 Standorte in 15 Ländern, hauptsächlich in Europa, besucht. An fast 70 % der besuchten Standorte fanden wir Emissionen aus dem Abfackeln, aus defekten Anlagen und aus Leckagen. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse haben wir in Europa die Kampagne #CutMethaneEU gestartet, um das Bewusstsein für das Problem der Methanverschmutzung in der Öl- und Gasindustrie zu schärfen. Wir sind nun überzeugt, dass die wachsende Zahl von Instrumenten eine intelligente Politik unterstützen kann, die uns hilft, die Methanverschmutzung effizient zu beseitigen. 

Überwachung und Quantifizierung von Emissionen 

Dank der jüngsten technologischen Fortschritte steht der Öl- und Gasindustrie, Wissenschaftlern und Behörden heute eine wachsende Zahl von Instrumenten zur Verfügung, mit denen sie Methanemissionen aufspüren und quantifizieren können. Von speziellen Handkameras, mit denen Techniker Lecks lokalisieren können, bis hin zu weltraumgestützten Instrumenten, mit denen regionale Emissionen quantifiziert werden können, verändern diese Instrumente unser Verständnis von Methanemissionen und erweitern die verfügbaren Ansätze für die Festlegung von Zielen, die Überwachung und die Einhaltung von Vorschriften. 

Die erste Aufgabe, die diese Technologien erleichtern, ist die kosteneffiziente Überprüfung von Öl- und Gasanlagen auf Methanlecks und die genaue Lokalisierung des Lecks, um dessen Reparatur zu ermöglichen. Die häufige Überwachung von Methanlecks ist ein wesentlicher Bestandteil von Sicherheitsmaßnahmen und Umweltstandards, weshalb Regulierungsbehörden und Betreiber nach Möglichkeiten suchen, Leckerkennungs- und Reparaturprogramme unter Einsatz dieser Technologien so effizient und kostengünstig wie möglich zu gestalten. Die Häufigkeit und Effizienz solcher Arbeiten ist von entscheidender Bedeutung, da selbst ein kleines Leck, das über einen längeren Zeitraum unentdeckt bleibt, eine erhebliche Menge Methan in die Atmosphäre freisetzen kann. 

Die zweite wichtige Aufgabe, die die neuen Technologien erfüllen, ist die Quantifizierung der Methanemissionen auf verschiedenen Ebenen, von der Anlagen- bis zur nationalen Ebene, was vielen Zwecken dienen kann. So kann die Quantifizierung der Emissionen innerhalb einer Anlage den Entscheidungsträgern helfen, die relative Bedeutung der Emissionsquellen zu verstehen und entsprechende Prioritäten bei der Verringerung zu setzen. Zuverlässige Informationen über die Gesamtemissionsintensität eines Unternehmens (d. h. die Menge an Methanemissionen, die bei der Förderung eines Barrels Öl oder eines Kubikmeters Gas freigesetzt wird) können den Käufern helfen, Öl und Gas zu beschaffen, das ihren Umweltstandards entspricht und ihnen hilft, ihre indirekten Emissionen zu verringern. Auf regionaler und nationaler Ebene ist die Quantifizierung und Verfolgung von Methanemissionen für die Einhaltung von Vorschriften, für die Festlegung und Verfolgung von Methanreduktionszielen und für die Berichterstattung über Methanemissionen an internationale Gremien erforderlich.

Anthropogene Methanemissionen
Diese Serie von Falschfarbenbildern (von links nach rechts) veranschaulicht, wie Methan, dargestellt durch die violette Wolke im linken Bild, mit einer optischen Gaskamera FLIR GF320 erkannt werden kann. Methan tritt während einer LDAR-Untersuchung (Lecksuche und Reparatur) aus einer Tankluke aus und wird von einem Techniker schnell behoben. Die Erkennung erfolgte über Clean Air Task Force. 

Bisher werden die Emissionen vom Unternehmen bis zur nationalen Ebene nach einem "Bottom-up"-Ansatz berechnet, d. h. auf der Grundlage der Menge der verschiedenen Arten von Anlagen, die von jedem Standort oder Unternehmen verwendet werden (Anzahl der Tanks, Kilometer von Rohrleitungen usw.), und der Informationen über die typischen Emissionen für jede dieser Arten von Anlagen (auch "Emissionsfaktor" der Anlage genannt). Leider sind diese Emissionsfaktoren häufig veraltet, spiegeln nicht die Bedingungen wider, unter denen die einzelnen Anlagen betrieben werden, und berücksichtigen in der Regel keine anormalen Betriebsbedingungen wie Störungen oder Wartungsarbeiten. 

Glücklicherweise gibt es immer mehr neue Überwachungslösungen, die sowohl die Erkennung als auch die Quantifizierung von Methanemissionen in der gesamten Öl- und Gaswertschöpfungskette unterstützen. Auf der Grundlage neuer Schlüsseltechnologien - wie miniaturisierte Elektronik, fortschrittliche Algorithmen und kostengünstiger Zugang zum Weltraum - und angetrieben durch das wachsende internationale Bewusstsein für die Auswirkungen von Methan haben diese neuartigen Lösungen das Potenzial, unsere Fähigkeit zur Identifizierung und Bekämpfung von Methanverschmutzungsquellen erheblich zu verbessern. Die Vielfalt der Lösungen ist groß und umfasst Instrumente, die vom Boden, aus der Luft und aus dem Weltraum betrieben werden.

Bodengestützte Instrumente

Zu den bodengestützten Instrumenten gehören mobile oder feste Instrumente, die spektroskopische, optische, akustische und Massenbilanztechniken verwenden. Dazu gehören handgehaltene Infrarot-Gasbildkameras, wie die oben beschriebenen von CATF , die die Emissionen eines einzelnen Lecks oder einer Entlüftungsquelle sichtbar machen, sowie fest installierte Sensoren, die ein Gebiet kontinuierlich auf erhöhte Methankonzentrationen in der Luft überwachen. Einige bodengestützte Geräte können Lecks quantifizieren, während andere in erster Linie zur Erkennung eingesetzt werden.

Luftgestützte Instrumente

Luftgestützte Instrumente bestehen aus mobilen Messgeräten, die an Flugzeugen und zunehmend auch an Drohnen angebracht sind. Zu den Messungen solcher Instrumente gehören fortschrittliche Spektroskopiekameras zur Erkennung von Methanfahnen unter einem Flugzeug und Instrumente zur Quantifizierung der Methankonzentration in der Luft, die ein Flugzeug durchfliegt. Diese Daten werden mit Windinformationen und fortschrittlichen Algorithmen kombiniert, um sowohl Emissionen zu erkennen als auch deren Ausmaß zu quantifizieren. Luftgestützte Messkampagnen sind ressourcenintensiv, haben sich aber bei der Kartierung von Punktquellenemissionen und des gesamten Methanflusses in ganzen Förderregionen wie dem Permian Basin in den Vereinigten Staaten als sehr effektiv erwiesen. 

Weltraumgestützte Instrumente

Zu den weltraumgestützten Instrumenten gehört eine Reihe moderner Multi- und Hyperspektralkameras, die auf Satelliten montiert sind. Einige Instrumente sind darauf ausgelegt, die Methankonzentration in der Atmosphäre über großen Gebieten zu charakterisieren, wie z. B. Produktionsbecken und tropischen Feuchtgebieten, während andere Instrumente darauf ausgelegt sind, große Emissionsquellen (je nach Größe als "Super-Emitter" und "Ultra-Emitter" bekannt) von Anlagen auf der ganzen Welt zu erkennen.

Luft- und weltraumgestützte Kameras sind die Technologien, die in den letzten Jahren am meisten Aufsehen erregt haben. Mit diesen Instrumenten können Methanemissionen über große Gebiete hinweg kartiert werden. Sie haben unser Verständnis von Emissionen bereits verändert und gezeigt, dass bisher unerwartete sehr große Emittenten in Wirklichkeit allgegenwärtig sind. In Verbindung mit fortschrittlichen Modellierungsverfahren ermöglichen diese Messungen die Schätzung der Gesamtemissionen aus großen Öl- und Gasfördergebieten, wobei wiederholt nachgewiesen wurde, dass die derzeitigen Bottom-up-Emissionsschätzungen unterschätzt werden. Eine neue Generation von hochauflösenden Satelliteninstrumenten wie der kanadische GHGSat verspricht, die Emissionen auf der Ebene der einzelnen Anlagen zu ermitteln und zu quantifizieren, was sowohl für die Gesamtrechnung der Methanemissionen als auch für die Ausrichtung von Minderungsprogrammen von unmittelbarem Nutzen ist. Wichtig ist, dass solche Instrumente keinen Zugang zu den Anlagen erfordern, so dass sie von Regulierungsbehörden, Investoren und anderen Interessengruppen genutzt werden können, um die von den Unternehmen gemeldeten Emissionen unabhängig zu überprüfen.

Trotz dieser rasanten Fortschritte gibt es bei der derzeitigen und geplanten Satellitentechnologie einige Einschränkungen. Die Mindestnachweisgrenzen sind derzeit hoch (ca. 500 kg pro Stunde für frei verfügbare Datensätze und 100 kg pro Stunde für kommerzielle Datensätze), was bedeutet, dass sie viele kleinere, aber potenziell weit verbreitete Emissionsquellen, die unter dieser Schwelle liegen, nicht "sehen" können. Zwar wird erwartet, dass diese Nachweisgrenzen für einige frei verfügbare Datensätze (z. B. Carbon Mapper) im Jahr 2023 auf 50 bis 100 kg pro Stunde sinken werden, doch werden sie immer noch weit über den Nachweisgrenzen der luft- und bodengestützten Instrumente liegen. Darüber hinaus können weltraumgestützte Instrumente noch kein Methan in der Nacht nachweisen, können nicht durch Wolken hindurchsehen und haben Schwierigkeiten in sehr heterogenem Gelände (z. B. in Gebirgsregionen). Einige dieser Einschränkungen können durch neue Instrumentenkonzepte und bessere Algorithmen überwunden werden. So haben Forscher erst kürzlich bewiesen, dass Satelliten zur Überwachung von Emissionen von Offshore-Plattformen eingesetzt werden können, was zuvor als unpraktisch galt. Einigen Schätzungen zufolge werden Satelliten bis 2025 in der Lage sein, etwa 50 % der Emissionen von Punktquellen weltweit zu erfassen.

Über die rein technologischen Entwicklungen hinaus besteht die nächste große Herausforderung darin, die derzeitige Palette vielversprechender Technologien in ein nützliches Überwachungssystem umzuwandeln, das Maßnahmen zur Verringerung der Methanemissionen vorantreibt. Dies sollte in mindestens drei Richtungen geschehen. Erstens müssen weltweit anerkannte Prüfstandards und -einrichtungen entwickelt werden, mit denen die Wirksamkeit der einzelnen vorgeschlagenen Messverfahren bewertet werden kann. Die Entwicklung solcher Standards schafft Vertrauen in die bereitgestellten Daten, senkt die Hürden für den Markteintritt neuer Akteure und ermöglicht eine rasche Verbreitung neuer Technologien auf der ganzen Welt. Zweitens sollten verschiedene Technologien in ein mehrstufiges Beobachtungssystem integriert werden, das ihre Stärken kombiniert, um Emissionen auf verschiedenen Ebenen adaptiv zu überwachen. Die Bemühungen zum Aufbau eines solchen Systems werden von der Internationalen Beobachtungsstelle für Methanemissionen angeführt, die Teil des Umweltprogramms der Vereinten Nationen ist und Beobachtungen von verschiedenen Satellitenplattformen kombinieren wird, um eine globale Überwachung von Ereignissen mit hohen Emissionen zu erreichen. Drittens muss die Industrie detaillierte Mess- und Berichterstattungsprotokolle verabschieden, die ihr helfen, Messungen auf robuste und vertrauenswürdige Weise durchzuführen. Solche Protokolle werden bereits entwickelt, z. B. im Rahmen der Oil and Gas Methane Partnership (OGMP) 2.0, die vom Umweltprogramm der Vereinten Nationen und der Climate and Clean Air Coalition geleitet wird, und der Veritas-Initiative, die von der US-amerikanischen GTI Energy geleitet wird. Allerdings ist eine Konvergenz und breitere Anwendung dieser Protokolle erforderlich, um schnelle Ergebnisse bei der Emissionsminderung zu erzielen. Die Entwicklungen in diesen Richtungen bilden die Grundlage, auf der eine intelligente, datengestützte Politik entwickelt und umgesetzt werden kann.

Der Rahmen für die Methanreduzierung 

Die Argumente für strenge Öl- und Gas-Methan-Vorschriften auf der ganzen Welt sind eindeutig. Die Regulierung der Methanemissionen aus diesem Sektor ist eine der schnellsten, kosteneffizientesten und wirkungsvollsten Maßnahmen, die Regierungen ergreifen können, um ihre Klimaziele zu erreichen. Die Internationale Energieagentur (IEA) schätzt, dass die Öl- und Gasindustrie mit den heute verfügbaren Technologien fast 75 % der Methanemissionen weltweit eliminieren kann, und das zu geringen oder gar keinen Kosten. Diese Schätzung basiert auf dem durchschnittlichen Gaspreis von 2017 bis 2021, der viel niedriger war als der durchschnittliche Gaspreis für 2022. Höhere Gaspreise, wie sie im letzten Jahr zu beobachten waren, bedeuten, dass noch mehr Emissionen zum Nulltarif oder sogar gewinnbringend reduziert werden können. 

Auch die Regierungen müssen nicht bei Null anfangen: Eine Reihe erfolgreicher Vorschriften und bewährter Verfahren kann ihnen als Orientierung dienen. Unter Clean Air Task Force haben wir ein Kompendium führender nordamerikanischer Vorschriften und Emissionsstandards zusammengestellt und veröffentlicht, das die besten Vorschriften für alle wichtigen spezifischen Emissionsquellen enthält, einschließlich Kontrollanforderungen, Überwachung, Aufzeichnungen und Berichterstattungsregeln. Wir haben auch das Country Methane Abatement Tool (CoMAT) entwickelt, eine Software, die Umwelt- und Klimaministerien bei der Entwicklung geeigneter Regulierungsstrategien zur Reduzierung von Methan aus dem Öl- und Gasministerium eines bestimmten Landes unterstützt.

Viele weitere Ressourcen sind verfügbar. So verfügt die IEA beispielsweise über eine umfangreiche Liste technischer Ressourcen, die darauf abzielen, Methanemissionen auf nationaler und regionaler Ebene zu verstehen und zu quantifizieren, sowie über einen Leitfaden für Regierungen und politische Entscheidungsträger, wie methanspezifische Vorschriften entworfen und umgesetzt werden können. Eine weitere wichtige Ressource ist der Best-Practice-Leitfaden der Methane Guiding Principles Partnership, der eine detaillierte Liste verfügbarer Technologien und Protokolle zur Verringerung von Methanemissionen in der gesamten Öl- und Gas-Wertschöpfungskette enthält. Dieser Leitfaden berücksichtigt sogar die Anfangsphasen eines Projekts, von der Planung über den Entwurf bis hin zum Bau. 

Während alle bisherigen Leitlinien den größten Teil der Öl- und Gaswertschöpfungskette und einige Teile des Lebenszyklus von Produktionsbohrungen abdecken, enthält keine davon Leitlinien zur Emissionsminderung für aufgegebene Bohrungen. Bis vor einigen Jahren wurden die Emissionen aus stillgelegten Bohrungen nur unzureichend analysiert und verstanden. Heute wissen wir, dass die Emissionen aus aufgegebenen Bohrungen um mehrere Größenordnungen variieren können. Je früher wir damit beginnen, Praktiken vorzuschreiben, die verhindern, dass Bohrungen aufgegeben werden, ohne sie ordnungsgemäß zu verschließen, desto besser werden wir diese Emissionsquelle in den Griff bekommen.

Politik weltweit vorantreiben

Weltweit wird eine stärkere und intelligentere Regulierung angestrebt, und die Länder setzen sich ehrgeizige Ziele für die Reduzierung von Methan aus dem Öl- und Gassektor. Im Jahr 2022 wurde Nigeria das erste Land südlich der Sahara, das die Methanemissionen seines Öl- und Gassektors regulierte, während Kolumbien das erste Land in Südamerika war, das dies tat. Im selben Jahr verpflichtete sich Mexiko, einen Investitions- und Umsetzungsplan zu entwickeln, um das routinemäßige Abblasen und Abfackeln zu unterbinden. In Nordamerika haben die Vereinigten Staaten kürzlich das Ziel bekannt gegeben, die Methanemissionen aus erfassten Quellen bis zum Jahr 2030 um 87 % gegenüber dem Stand von 2005 zu senken, und zwar durch kürzlich vorgeschlagene Vorschriften, die auch die Schaffung eines neuartigen "Superemitter-Reaktionsprogramms" vorsehen. Kanada arbeitet an einem Rechtsrahmen, der die Methanemissionen aus der Öl- und Gasindustrie bis 2030 um 75 % unter das Niveau von 2012 senken soll. Die Europäische Union befindet sich in einem fortgeschrittenen Stadium der Vorbereitung einer Methanverordnung, die Aspekte des OGMP 2.0-Messrahmens enthält und darauf abzielt, die Methanemissionen dieser Branche zu reduzieren, zu quantifizieren und zu melden.

Gleichzeitig mit der Entwicklung und Umsetzung dieser Regulierungsansätze untermauern die neuen technologischen Entwicklungen die jüngsten Bemühungen, Energieimporteure und -exporteure zu koordinieren, um die Methanemissionen entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu senken. So haben die Vereinigten Staaten, die Europäische Union, Japan, Kanada, Norwegen, Singapur und das Vereinigte Königreich eine gemeinsame Erklärung der Energieimporteure und -exporteure zur Verringerung der Treibhausgasemissionen aus fossilen Brennstoffen abgegeben, in der sie sich verpflichten, die Treibhausgasemissionen in der gesamten Wertschöpfungskette für fossile Brennstoffe auf der Grundlage einer robusten und transparenten Messung und Berichterstattung über die weltweiten Methanemissionen zu verringern. Die Europäische Union, der größte Gasimporteur der Welt, zieht in der derzeit diskutierten Methanverordnung den Einsatz von Top-down-Technologien zur Überwachung von Methanemissionen außerhalb ihrer Grenzen in Erwägung. Die Europäische Union wird nach Wegen suchen müssen, um Methanemissionsstandards für importiertes Gas festzulegen, wenn sie an dieser Front eine internationale Führungsrolle übernehmen will. 

Kurz gesagt, der Öl- und Gassektor ist eine der Hauptursachen für den Anstieg der weltweiten Methankonzentration in der Atmosphäre. Methanlecks aus dieser Industrie sind unvorhersehbar und treten in der gesamten Öl- und Gas-Wertschöpfungskette auf. Um die Schätzungen der Methanemissionen zu verbessern und die Emissionsreduzierung zu erleichtern, müssen wir von den traditionellen Methoden zur Schätzung der Methanlecks, bei denen die Emissionsraten als konstante Faktoren behandelt werden, zu neuen Top-down-Ansätzen übergehen, die die Emissionen in Echtzeit auf lokaler, regionaler und globaler Ebene quantifizieren. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Politik zur Eindämmung der Emissionen weltweit die zahlreichen jüngsten Fortschritte bei den Technologien zur Erkennung von Methanlecks nutzt, um die Eindämmungsmaßnahmen zu gestalten und gezielt einzusetzen.

Dieser Artikel wurde ursprünglich in der Februar-Ausgabe 2023 des AWE-Magazins veröffentlicht.

Verwandte Beiträge

Bleiben Sie auf dem Laufenden

Sign up today to receive the latest content, news, and developments from CATF experts.

"*" kennzeichnet Pflichtfelder